不同加寬模式下公路路基路面變形特性對比分析

陳文韜,楊中曦,吳新宇

(1.葛洲壩集團交通投資有限公司,湖北 武漢 430033;2.廣西葛洲壩田西高速公路有限公司,廣西 百色 533099;3.中智湖北經濟技術合作有限公司,湖北 武漢 430075;4.廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530012)

0 引言

隨著國內交通網絡的不斷發展,許多老舊公路寬度已不能滿足車輛通行需求,公路路基加寬改擴建成為解決該問題的重要方式之一。近年來,國內學者開展了一些研究。呂青、楊濤等[1-2]以某公路路基改擴建工程為研究對象,采用有限元軟件對單雙側路基加寬模式下的路基變形進行了分析,其研究結果可為道路改擴建提供參考。徐柿根、劉鄭等[3-4]從公路拼寬施工技術出發,對相關技術要點進行細致的說明,并重點對路基拼寬施工工藝、質量控制以及拼接效果等方面進行了分析,研究結果可為公路路基拼寬施工提供一些建議。姚幫先、黎興銓等[5-6]基于對道路改擴建需求的分析,對高速公路改擴建施工技術進行了系統性分析,并提出了一些思路和見解。王惠勇、衛高明等[7-8]以某公路拓寬為研究對象,采用有限元方法對單雙側路基拓寬不均勻沉降進行了對比分析,并著重分析了路基拉應力變化規律,研究了不同拓寬模式下的路面結構層裂縫產生機理。本文主要以某道路路基改擴建工程為研究對象,分析了單側和雙側加寬兩種改擴建方式下的路基變形特性,并重點對二者加寬方式進行了對比分析,研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某公路路基頂部寬度為12 m,單向兩車道,設計時速為80 km/h。由于現有通行量已經不能滿足經濟發展要求,擬對其進行改擴建。如圖1所示,給出了雙側加寬和單側加寬兩種方式,雙側加寬方式為兩側分別加寬8 m,單側加寬方式為只一側加寬16 m,路基邊坡坡率均仍按照原始坡率1∶1.5設計、路基高度為8 m。地表從上至下依次為粉質黏土層和黏土層,厚度依次為15 m和20 m,施工時采用分層鋪填碾壓的方法以確保工程質量。

(a)雙側加寬

2 數值建模

2.1 模型的建立

如下頁圖2所示,采用有限元軟件ANAYS建立了數值模型,包括雙側加寬和單側加寬兩種方式。加寬后的路基的頂部寬度取值為28.0 m,路基填土高度為8.0 m,施工時采用分層鋪填碾壓的方法。路堤坡底寬度為52 m,模型整體寬度為60 m,模型長度取20 m,高度取43 m。原始地表從上至下依次為粉質黏土層和黏土層,厚度依次為15 m和20 m。建模采用實體單位模擬。模型除上邊界外,其他邊界均進行位移約束。模型均采用摩爾-庫侖本構模型。

(a)雙側加寬

2.2 參數賦值

如表1所示,為新老路基、黏土和粉質黏土的土體物理力學參數。

表1 土體的物理力學參數表

3 數值結果分析

3.1 路基加寬后整體變形分析

為了分析兩種不同路基加寬方式下的沉降特性,圖3給出了路基加寬豎向變形云圖。由圖3(a)可知,在雙側加寬方式下,兩側新加寬的路基豎向變形明顯大于中間的舊路基,并且呈現左右對稱的特點,這是由于舊路基經過長時間的壓密和沉降已趨于變形穩定狀態,最大豎向沉降值約為30.0 mm,最大沉降位置在新路基頂面處,隨著路基深度的增大而減小。舊路基的最大沉降值約為新路基的50%,最大沉降位置位于舊路基的中心。由圖3(b)可知,對于單側加寬方式,新加寬一側的路基豎向變形明顯大于舊路基,最大豎向沉降值約為44.1 mm,最大沉降位置發生在新路基頂面,且隨著路基深度的增大而減小。

(a)雙側加寬

綜上所述,新建路基的沉降要明顯大于舊路基,而采用單側加寬路基方法時的路基豎向變形明顯大于雙側加寬方式。施工過程中應嚴格控制新路基的壓實度并注重處理好新老路基連接處,以在一定程度上降低路基差異沉降。

3.2 路基加寬后頂面和底面變形分析

3.2.1 路基頂面變形分析

為了研究單側加寬和雙側加寬方法對路基頂面變形的影響,如圖4所示,給出了不同路基加寬方式下路基頂面水平位移曲線。由圖4可知,單側加寬方式下路基頂面最大水平位移值為9.63 mm,而雙側加寬方式下路基頂面最大水平位移值為3.92 mm。采用雙側加寬方式,路基頂面最大水平位移減小了59.3%,且從整體上來看,采用雙側加寬方式下的路基頂面水平位移波動幅度較小,且基本整體小于采用單側加寬路基時。綜上可知,從減小路基頂面水平位移方面考慮,采用雙側加寬路基方式效果更佳。

圖4 不同加寬方式下路基頂面水平位移曲線圖

如圖5所示,給出了不同路基加寬方式下路基頂面豎向位移曲線。由圖5可知,單側加寬方式下路基頂面最大豎向位移值為44.1 mm,而雙側加寬方式下路基頂面最大豎向位移值為30.0 mm。采用雙側加寬方式下路基頂面最大豎向位移減小了32.0%,且從整體上來看,采用雙側加寬方式下的路基頂面豎向差異沉降較小,在實際工程中更容易控制施工質量。綜上可知,從減小路基頂面豎向位移方面考慮,采用雙側加寬路基方式效果更好。

圖5 不同加寬方式下路基頂面豎向位移曲線圖

3.2.2 路基底面變形分析

為了研究單側加寬和雙側加寬方法對路基底面變形的影響,如圖6所示,給出了不同路基加寬方式下路基底面的水平位移曲線。由圖6可知,單側加寬方式下路基底面的最大水平位移值為2.74 mm,而雙側加寬方式下路基底面最大水平位移值為1.87 mm,采用雙側加寬方式下路基底面最大水平位移減小了31.8%。從整體上來看,采用單側加寬方式時路基底面水平位移最大差值達1.23 mm,而雙側加寬時最大差值為0.76 mm,雙側加寬方式下的路基底面水平位移波動幅度更小。綜上可知,從減小路基底面水平位移方面考慮,采用雙側加寬路基方式效果更佳。

圖6 不同加寬方式下路基底面水平位移曲線圖

如圖7所示,給出了不同路基加寬方式下路基底面豎向位移曲線。由圖7可知,單側加寬方式下路基底面最大豎向位移值為42.2 mm,而雙側加寬方式下路基底面最大豎向位移值為28.3 mm,采用雙側加寬方式下路基底面最大豎向位移減小了32.9%。從整體上來看,采用單側加寬方式時路基底面豎向位移最大差值達43.4 mm,而雙側加寬時最大差值為13.8 mm。綜上可知,從減小路基底面豎向位移方面考慮,采用雙側加寬路基方式效果更好。

圖7 不同加寬方式下路基底面豎向位移曲線圖

通過上述分析可知,從控制路基變形角度出發,采用雙側加寬路基方式比單側加寬方式更優越。但是在實際工程中,尤其對于國道、省道改擴建項目,需要從土體資源劃批、施工進度和成本等方面進行考慮時,單側加寬路基方式可能更具有優勢。因此,在實際工程中應該綜合各方資源,合理考慮路基改擴建方式,并加強施工質量控制,最終達到建設目標。

4 結語

本文主要以某道路路基改擴建工程為研究對象,分析了單側和雙側加寬兩種改擴建方式下的路基變形特性,并重點對兩種加寬方式進行了對比分析,得到以下結論:

(1)新建路基的沉降要明顯大于舊路基,施工過程中采用嚴格控制新路基壓實度并注重處理好新老路基連接處方法,可以一定程度上降低路基差異變形。

(2)采用雙側加寬方式時,路基頂面和底面最大水平位移較單側加寬方式分別減小了59.3%和31.8%,且從整體上來看,采用雙側加寬方式下的路基頂面水平位移波動幅度較小。

(3)采用雙側加寬方式時,路基頂面和底面最大豎向位移較單側加寬方式分別減小了32.0%和32.9%,且從整體上來看,采用雙側加寬方式下的路基頂面豎向差異沉降較小,在實際工程中更容易控制施工質量。

(4)從控制路基變形角度出發,采用雙側加寬路基方式優于單側加寬方式。但是在實際工程中,從土體資源劃批、施工進度和成本等方面考慮時,單側加寬路基方式可能更具有優勢。因此,在實際工程中應綜合各方資源,合理考慮路基改擴建方式,加強施工質量控制,以達到建設目標。